渤海中部冬夏季葉綠素a和營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)影響因素對(duì)比分析

王麗莎，魏西會(huì)，張海波，李春川，唐洪杰

（1.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266100；2.青島市生態(tài)環(huán)境局城陽(yáng)分局，山東青島 266109；3.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連 116023；4.中國(guó)海洋大學(xué)海洋高等研究院，山東青島 266100）

海洋中葉綠素a（Chl a）是浮游植物體內(nèi)的主要光合作用色素，其含量可指示海域內(nèi)浮游植物的生物量和固碳能力，是海洋生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)和能量流動(dòng)的基礎(chǔ)，對(duì)海洋漁業(yè)資源狀況和全球氣候變化起著重要作用［1］。營(yíng)養(yǎng)鹽作為浮游植物繁殖生長(zhǎng)所必須的基礎(chǔ)物質(zhì)，其含量和組成比例等影響浮游植物的生長(zhǎng)繁殖及群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［2］。當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)剩時(shí)，可能會(huì)引發(fā)赤潮、綠潮等生態(tài)災(zāi)害［3］，進(jìn)而影響海洋漁業(yè)資源［4］。近岸海域承載著密集的人口和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來(lái)的生態(tài)壓力，其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與城市環(huán)境變化相互影響［5］。受人類活動(dòng)和陸源輸入的影響，近岸海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)易發(fā)生轉(zhuǎn)變［6－8］，因此關(guān)注近海營(yíng)養(yǎng)鹽狀況以及浮游植物變化對(duì)了解海域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。

渤海是我國(guó)的封閉性淺水內(nèi)海，平均水深約18 m，主要由遼東灣、渤海灣、萊州灣和中央海區(qū)4個(gè)海區(qū)組成，是北方重要的漁業(yè)資源產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)和棲息地，具有較高的生態(tài)價(jià)值。渤海東部通過(guò)渤海海峽“北進(jìn)南出”與北黃海進(jìn)行水體交換，但其水流小，水交換緩慢。環(huán)渤海40余條入海徑流每年裹挾大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入渤海，近年來(lái)受環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及流域內(nèi)建壩截流等活動(dòng)的影響，入海徑流量減少，硅輸入減少［9］。海域內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽組成結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化（N／P比值升高，Si／N比值下降），近岸富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，赤潮頻發(fā)［10－11］，浮游植物群落由硅藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)向非硅藻群落演替［12－13］。本文對(duì)比冬、夏季節(jié)葉綠素a和營(yíng)養(yǎng)鹽組成的時(shí)空特征，以期為了解渤海營(yíng)養(yǎng)鹽含量及組成變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域

分別于2016年1月（冬季）和6月（夏季）對(duì)渤海海域進(jìn)行調(diào)查，受寒潮結(jié)冰影響［14］，兩次調(diào)查范圍略有不同，因此選擇相同的海域范圍（圖1多邊形內(nèi)）比較冬、夏季節(jié)間差異?，F(xiàn)場(chǎng)使用CTD-Niskin聯(lián)用（SeaBird 911plus CTD與12 L Niskin采水器聯(lián)用，美國(guó)）采集表層、10 m層（中層）和底層水樣，并測(cè)定溫度、鹽度等參數(shù)。

圖1 渤海研究區(qū)域冬季和夏季站位分布Fig.1 Sampling stations in winter and summer in the Bohai Sea

1.2 樣品采集與分析

水樣經(jīng)GF／F（Whatman，450℃灼燒4 h）濾膜過(guò)濾，濾膜和濾液冷凍（－20℃）保存，分別用于測(cè)定葉綠素a和營(yíng)養(yǎng)鹽。濾膜用90%丙酮萃取，分光光度法（島津UV-2550，日本）測(cè)定吸光值并計(jì)算葉綠素a的含量［15］。水樣使用營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀（SEAL-AA3，德國(guó)）按照海洋調(diào)查規(guī)范方法（GB／T 12763.4-2007）測(cè)定各營(yíng)養(yǎng)鹽組分，其中NO－2-N采用重氮-偶氮法，NO－3-N采用銅-鎘還原法，NH4＋-N采用水楊酸鈉法，PO34－-P使用磷鉬藍(lán)法，SiO23－-Si以硅鉬藍(lán)法測(cè)定。NO3－-N、NO2－-N、NH4＋-N、PO3－4-P和SiO2－3-Si檢出限分別為0.05、0.02、0.04、0.02和0.03μmol·L－1。溶解無(wú)機(jī)氮（DIN）為NO－3-N、NO－2-N和NH4＋-N 3組分加和。海水中總懸浮顆粒物（total suspended particulate，TSP）使用0.45μm孔徑醋酸纖維濾膜過(guò)濾，重量法測(cè)定［16］。

1.3 浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽限制評(píng)價(jià)方法

浮游植物按照一定比例吸收利用營(yíng)養(yǎng)鹽［17］，其含量和組成比例變化會(huì)對(duì)浮游植物生長(zhǎng)及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。本文采用水體中氮、磷、硅營(yíng)養(yǎng)鹽的含量及其摩爾比值判斷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的限制狀況。首先根據(jù)浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽需求的閾值［18－19］和營(yíng)養(yǎng)鹽組成比例［20－21］作為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)鹽的限制狀況（表1）。

表1 營(yíng)養(yǎng)鹽限制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standards of evaluating nutrient limitation

2 結(jié)果與討論

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空分布特征

冬季海水溫度低（表2，T＜8℃），光照強(qiáng)度弱，浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收利用較少。營(yíng)養(yǎng)鹽分布主要受擾動(dòng)再懸浮、礦化釋放以及北黃海洋流輸入的影響［22］。DIN含量為2.07～19.51 μmol·L－1，平 均 值 為（10.51±4.52）μmol·L－1，由圖2-A～C可以看出，DIN分布呈現(xiàn)由黃河口向中部海區(qū)逐漸遞減的趨勢(shì)。各水層DIN含量不同，受再懸浮影響，底層含量最高，其次為表層，中層含量最低。DIN組分特征表現(xiàn)為以NO－3-N為主（91%），其次為NH4＋-N，各站點(diǎn)DIN含量均高于閾值，不存在N限制狀況。調(diào)查海 域PO3－4-P平 均 值 為（0.28±0.14）μmol·L－1，其分布受顆粒物吸附沉降，北黃海輸入等因素［23］影響，呈現(xiàn)近岸低、中部和渤海海峽處高的分布特征（圖2-D～F）。PO3－4-P垂向分布同DIN相似，底層含量最高。研究海區(qū)SiO2－3-Si平均濃度為（10.63±2.09）μmol·L－1，受黃河輸入影響SiO2－3-Si分布從河口向中部海區(qū)逐漸遞減（圖2-G～I(xiàn)）。黃河口和萊州灣外近岸和中部為高N／P和Si／P比值區(qū)域，比值大于P潛在限制標(biāo)準(zhǔn)22，呈現(xiàn)明顯的P潛在限制。

圖2 冬季調(diào)查海域各水層營(yíng)養(yǎng)鹽含量及限制狀況分布Fig.2 Horizontal distribution of nutrient concentrations and limitations in winter in the study area

表2 調(diào)查海域冬夏季不同水層葉綠素a及環(huán)境參數(shù)特征Tab.2 Chlorophyll-a，nutrients and hydrological parameters in the same study area of the central Bohai Sea

夏季溫度（表2，T＞20℃）和光照適宜浮游植物生長(zhǎng)，水體中浮游植物含量多且具有較強(qiáng)的新陳代謝活動(dòng)，其吸收利用較多的營(yíng)養(yǎng)鹽。受陸源輸入影響［24］，DIN在黃河口以及萊州灣外呈現(xiàn)明顯的高值區(qū)（圖3-A～C），最高值達(dá)15.96 μmol·L－1（圖4-D），在北部和渤海海峽處呈現(xiàn)低值，其主要組分為NH4＋-N（48%）和NO－3-N（45%）。受生物吸收利用影響，表層DIN含量最低，平均值為（3.90±4.59）μmol·L－1，且東部海域部分站位含量低于閾值圖（4-D，圖3-A），該海域浮游植物的生長(zhǎng)受氮元素限制。PO3－4-P受“磷負(fù)荷削減”影響，陸源輸入減少，同時(shí)受黃河口外近岸區(qū)域高生物量的浮游植物對(duì)磷吸收轉(zhuǎn)化、懸浮顆粒物的吸附作用以及北黃海冷流［25］輸入影響，調(diào)查區(qū)域PO34－-P濃度呈由黃河口及近岸海域向渤海中部和渤海海峽逐漸升高的趨勢(shì)（圖3-D～F）。PO34－-P垂向分布從表層向底層逐漸增加，在近岸和中部海域較多站位含量低于閾值（0.03μmol·L－1）（圖3-D～F），呈現(xiàn)明顯的磷限制。SiO23－-Si平均含量為（3.81±1.72）μmol·L－1，在黃河口外呈現(xiàn)高值（圖3-G～I(xiàn)），受生物吸收利用影響，SiO23－-Si在萊州灣灣口和海峽處部分站位含量低于閾值（圖4-F，圖3-G～I(xiàn)），不利于渤海優(yōu)勢(shì)藻種硅藻［6］的生長(zhǎng)。

圖3 夏季調(diào)查海域各水層營(yíng)養(yǎng)鹽含量及限制狀況分布Fig.3 Horizontal distribution of nutrient concentrations and limitations in summer in the study area

對(duì)比冬、夏季營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)（表2，圖4），夏季浮游植物具有較強(qiáng)的光合作用，且對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收轉(zhuǎn)化率高，營(yíng)養(yǎng)鹽各組分含量較冬季均明顯降低。夏季DIN濃度平均值為（4.72±4.2）μmol·L－1，較冬季降低55.0%；PO34－-P平均濃度為（0.04±0.04）μmol·L－1，較冬季降低85.7%；SiO23－-Si平均含量為（3.81±1.72）μmol·L－1，較冬季下降64.2%。冬、夏兩季DIN主要組分不同，冬季DIN主要組分為NO3－-N，而夏季為NH4＋-N和NO3－-N。此外，冬、夏季營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物生長(zhǎng)影響不同，冬季營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物生長(zhǎng)不存在N限制，但在黃河口和萊州灣外近海存在明顯的P潛在限制；而夏季部分站位存在N限制（東部海域表層水體）以及明顯的P限制（渤海海峽以東海域）。

圖4 調(diào)查海域冬夏季各水層營(yíng)養(yǎng)鹽含量及結(jié)構(gòu)變化特征Fig.4 Spatial and seasonal variations of nutrients and nutrient structure in the study area

2.2 冬夏季葉綠素分布特征及影響因素分析

冬季受溫度（T＜8℃）、光照等因素影響，浮游植物生長(zhǎng)繁殖受到抑制，Chl a含量為0.54～1.37 mg·m－3，平均（0.99±0.25）mg·m－3，高值區(qū)在黃河口外海域（圖5-A～C），受混合影響垂向差異較?。ū?）。夏季水溫（T＞20℃）及光照條件適宜，浮游植物快速繁殖生長(zhǎng)，Chl a含量為（4.58±5.51）mg·m－3（表2），是冬季Chl a含量的4.6倍，變化明顯（P＜0.01），其高值區(qū)與黃河口和萊州灣外高DIN和SiO2－3-Si含量區(qū)域基本一致（圖5-D，圖3-A，G），高值區(qū)Chl a含量高于10 mg·m－3，存在發(fā)生赤潮的風(fēng)險(xiǎn)［26］。

圖5 冬夏季調(diào)查海域各水層葉綠素a分布特征（mg·m－3）Fig.5 Horizontal and seasonal distribution characteristics of Chl a in the study area

2.3 渤海海域營(yíng)養(yǎng)鹽以及浮游植物群落變化趨勢(shì)研究

對(duì)比渤海中部2016年冬、夏季葉綠素含量和營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)（表2）：冬季浮游植物生長(zhǎng)受限［7，27］，Chl a平均含量較低，營(yíng)養(yǎng)鹽消耗較少且受有機(jī)物礦化分解影響，水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量較高（表2）。N／P和Si／P平均值分別為69.30±86.80和64.50±68.80，呈現(xiàn)明顯的P潛在限制，而氮、硅含量較高，不存在限制的狀況。夏季浮游植物生長(zhǎng)旺盛，消耗大量營(yíng)養(yǎng)鹽，葉綠素Chl a平均含量較高，各營(yíng)養(yǎng)鹽含量較冬季均明顯降低。受浮游植物“過(guò)度消費(fèi)”吸收儲(chǔ)存影響，表層PO3－4-P平均含量?jī)H（0.03±0.03）μmol·L－1，N／P和Si／P平均值分別達(dá)到274.19±328.06和202.18±182.07，P限制明顯。在海峽口表層和萊州灣外部分站位DIN和Si含量低于閾值，限制浮游植物尤其是硅藻的生長(zhǎng)繁殖。

對(duì)比長(zhǎng)時(shí)間尺度下渤海各海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及組成、葉綠素水平以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)（表2～表5）發(fā)現(xiàn)，受人類活動(dòng)影響，氮、磷、硅輸入量差異較大［30］，各海區(qū)中遼東灣和萊州灣營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源豐富，含量較高，其次為渤海灣和渤海中部海域［28－40］。近幾十年來(lái)建壩截流等人類活動(dòng)使得渤海中部海域硅、磷輸入量相對(duì)減少，營(yíng)養(yǎng)鹽比例失衡（偏離Redfield比值），雖然水體中Chl a含量沒(méi)有明顯的變化，但群落結(jié)構(gòu)由硅藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)向硅藻-甲藻共存的趨勢(shì)發(fā)展，這種變化趨勢(shì)也是對(duì)近岸氮元素超標(biāo)引起甲藻赤潮發(fā)展特征的一個(gè)佐證［41－48］。比較發(fā)現(xiàn)，春、夏季生產(chǎn)力水平高，各營(yíng)養(yǎng)鹽被快速吸收、儲(chǔ)存、利用，尤其是對(duì)磷的“奢侈吸收”，致使N／P和Si／P比值明顯高于秋、冬季節(jié)。秋、冬季節(jié)細(xì)胞豐度減少，浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收利用減少，同時(shí)受有機(jī)物礦化分解以及沉積物擾動(dòng)釋放的影響，各營(yíng)養(yǎng)鹽含量較春、夏季明顯升高，營(yíng)養(yǎng)鹽組成結(jié)構(gòu)更趨近于Redfield比值。

表3 渤海內(nèi)不同海域營(yíng)養(yǎng)鹽狀況比較Tab.3 Comparison of nutrient structure in different areas of the Bohai Sea

表4 不同時(shí)間渤海中部浮游植物群落結(jié)構(gòu)比較Tab.4 Comparison of phytoplankton community structure in the central Bohai Sea in different time

表5 不同時(shí)間渤海中部葉綠素a影響因素比較Tab.5 Comparison of chlorophyll-a and main influence factor in the central Bohai Sea in different time

3 小結(jié)

冬季營(yíng)養(yǎng)鹽含量高，DIN以NO－3-N為主。N／P和Si／P值較高，呈現(xiàn)明顯的P潛在限制。浮游植物主要受低溫限制，Chl a平均含量為（0.99±0.25）mg·m－3。

夏季Chl a平均含量為（4.58±5.51）mg·m－3，明顯高于冬季，且高值區(qū)集中在黃河口及萊州灣外高DIN和SiO2－3-Si海域。受吸收利用影響，各營(yíng)養(yǎng)鹽含量較冬季明顯降低，且在中西部海域呈現(xiàn)明顯的P限制。